Estimativa da Pegada Hídrica de Aproveitamentos Hidrelétricos no Sul do Brasil

Acadêmico: Felipe Fischmann | Orientador: Pedro Chaffe Trabalho de Conclusão de Curso | Dep. de Engenharia Sanitária e Ambiental | CTC

16/8/16 2

Volume total de água usada para produzir os bens e serviços consumidos por um individuo ou comunidade

(HOEKSTRA, 2011)

Conceito A Pegada Hídrica

16/8/16 3

Pegada hídrica azul Pegada hídrica verde – Águas pluviais

Pegada hídrica cinza – Poluição

Águas superficiais

Águas subterrâneas

Classificação A Pegada Hídrica

16/8/16 4

Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica

Fonte:IPCC(2012)

16/8/16 5

Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica

Fonte:IPCC(2012)

Carvão

Nuclear

Fonte:IPCC(2012)

Hidroelétrica

16/8/16 6

Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica

16/8/16 7

PH= AET/EG 

PH= AET− P↓V /EG 

1)

2)

3)

•  AET=evaporaçãoapósbarramento•  EG=energiagerada•  AETpré,V=evapotranspiraçãopréviaaobarramento•  PV=precipitaçãosobreoreservatório

Métodos para determinação

A Pegada Hídrica da geração de energia hidrelétrica

PH= AET− AET↓pré,V /EG 

Objetivos

Objetivo Geral

16/8/16 9

Estimar a pegada hídrica associada à geração de energia hidrelétrica por empreendimentos selecionados na região Sul do Brasil

Objetivos Específicos

16/8/16 10

a)  Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar

b)  Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de

aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil c)  Determinar fatores com influência preponderante na pegada

hídrica de aproveitamentos hidrelétricos

Objetivo Específico A

16/8/16 11

Objetivos Específicos

16/8/16 12

a)  Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar

b)  Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de

aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil c)  Determinar fatores com influência preponderante na pegada

hídrica de aproveitamentos hidrelétricos

Objetivo Específico B

16/8/16 13

WREVAP

Objetivos Específicos

16/8/16 14

a)  Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar

b)  Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de

aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil c)  Determinar fatores com influência preponderante na pegada

hídrica de aproveitamentos hidrelétricos

Objetivo Específico C

16/8/16 15

Materiais e Métodos

16/8/16 17

•  41 aproveitamentos •  Dados de entrada

•  Latitude •  Elevação •  Precipitação média anual •  Profundidade média •  Salinidade •  Temperatura média do ar •  Umidade relativa do ar •  Insolação

Reservatórios

Série

shistóricas

Área de estudo Materiais e Métodos

16/8/16 18

Unidade geradora +

Reservatório(s) imediatamente a montante

Fonte:Geraldi(20--)

Sistema considerado Materiais e Métodos

16/8/16 19

•  WREVAP – módulo CRLE (Complementary Relationship Lake Evaporation)

•  Disponível (http://people.eng.unimelb.edu.au/mpeel/morton.html)

•  código FORTRAN •  arquivo executável

•  Premissa básica: ½EP ≤ EW ≤ EP

Modelo adotado Materiais e Métodos

16/8/16 20

Alocação de séries históricas de estações meteorológicas

Materiais e Métodos

PCHeUHEassociadasàsestaçõesmaispróximas

Resultados e Discussão

16/8/16 22

y=0,4259xR²=0,96674

-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%

Varia

çãona

AETm

édia

Variaçãotemperaturamédia

4,3%10%

Sensibilidade do WREVAP a variações na temperatura Resultados e Discussão

16/8/16 23

Sensibilidade do WREVAP a variações na temperatura Resultados e Discussão

y=0,4259xR²=0,96674

-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%

Varia

çãona

AETm

édia

Variaçãotemperaturamédia

4,3%10%

0

50

100

150

200

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12AE

Tméd

ia(m

m)

Mês-50% -10%Sérieoriginal 10%50%

16/8/16 24

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

AETméd

iam

ensal(mm)

Mês

0m 26.8m(profundidadereal) 50m 100m

Sensibilidade do WREVAP a variações na profundidade Resultados e Discussão

16/8/16 25

y=0,5372xR²=0,9991

-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%

Varia

çãona

AETm

édia

Variaçãonainsolaçãomédia

5,3%10%

Sensibilidade do WREVAP a variações na insolação Resultados e Discussão

•  Altitude •  Salinidade •  Precipitação média anual •  Umidade relativa média do ar

16/8/16 26

Resultados e Discussão Parâmetros com sensibilidade desprezível do WREVAP

16/8/16 27

Resultados e Discussão Distribuição espacial da evaporação de lago estimada pelo WREVAP

16/8/16 28

•  Média simples: 22,35 m3GJ-1

•  Mínima: 0,06 m3GJ-1

•  Máxima: 153,54 m3GJ-1

•  Média ponderada pela geração de energia: 14,89 m3GJ-1

Resultados e Discussão Distribuição dos valores de pegadas hídricas

16/8/16 29

•  Média simples: 22,35 m3GJ-1

•  Mínima: 0,06 m3GJ-1

•  Máxima: 153,54 m3GJ-1

•  Média ponderada pela geração de energia: 14,89 m3GJ-1 ≅

102,3 L.hab-1dia-1 Consumo médio equivalente por habitante:

Resultados e Discussão Distribuição dos valores de pegadas hídricas

16/8/16 30

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

SaltoPilãoCamposNovosQuebraQueixo

MachadinhoFozdoChapecó

ItáPalmeiras

BarraGrandeGaribaldiFundão

GovParigotdeSouzaSaltoOsórioGovBragaOurinhos

ItaipuGovRochaNeto

GovRichaSaltoGrandeSaltoSanfago

SantaClaraChaminé

MauáTaquaruçuGuaricanaCanoasIICanoasIRosana

CapivaraChavantesCanastra

MonteClaroJacuí

CastroAlvesItaúba

14deJulhoDonaFranciscaPassoSãoJoão

SãoJoséBugres

PassoFundoPassoReal

SantaCatarin

aParaná

RioGrande

doSul

PegadaHídrica(m3GJ-1)

16/8/16 31

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

SaltoPilãoCamposNovosQuebraQueixo

MachadinhoFozdoChapecó

ItáPalmeiras

BarraGrandeGaribaldiFundão

GovParigotdeSouzaSaltoOsórioGovBragaOurinhos

ItaipuGovRochaNeto

GovRichaSaltoGrandeSaltoSanfago

SantaClaraChaminé

MauáTaquaruçuGuaricanaCanoasIICanoasIRosana

CapivaraChavantesCanastra

MonteClaroJacuí

CastroAlvesItaúba

14deJulhoDonaFranciscaPassoSãoJoão

SãoJoséBugres

PassoFundoPassoReal

SantaCatarin

aParaná

RioGrande

doSul

PegadaHídrica(m3GJ-1)

16/8/16 32

02468101214

0

50

100

150

200

250

300

AET(106m

3 )

Pegada

hídric

a(m

3 GJ-1)

Pegadahídrica Evaporaçãodelago(AET)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

050100150200250300

Geração

men

saldeen

ergia

(106GJ)

Pegada

hídric

a(m

3 GJ-1)

Pegadahídrica Geraçãomensaldeenergia

Resultados e Discussão Influências relativas da evaporação e da geração de energia

16/8/16 33

y=95,835xR²=0,95961

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Pegada

hídric

améd

ia(m

3 GJ-1)

Áreaalagada/Potênciaoutorgada(km2MW-1)

Resultados e Discussão Influência da relação área alagada / potência outorgada

16/8/16 34

50°W55°W

25°S

30°S

Brasil

40°W60°W

0°30

°S

0 50 100 km

A/PO (km²/MW)

1,42 1,14 0,85 0,57 0,28 0

Hidrografia 1:2.500.000

Pegada hídrica média (m³/GJ)

150 - 155

0,05 - 5

Resultados e Discussão Distribuição espacial das pegadas hídricas e da relação área alagada/potência outorgada

•  Profundidade média do reservatório •  Latitude •  Altitude (N.A. a montante) •  Relação queda bruta / altura da

barragem •  Potência outorgada

16/8/16 35

Resultados e Discussão Variáveis sem correlação evidente com a pegada hídrica

0 50 100 150 200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150 200

Pegada

hídric

améd

ia(m

3 GJ-1)

Profundidademédiadoreservatório(m)

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02Pe

gada

hídric

améd

ia(m

3 GJ-1)

Quedabruta/Alturadobarramento

1E+01 1E+02 1E+03 1E+04

020406080100120140160180

020406080100120140160180

1E+01 1E+02 1E+03 1E+04

Pegada

hídric

améd

ia(m

3 GJ-1)

Potênciaoutorgada(MW)

Conclusões e Recomendações

16/8/16 37

Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar

SensibilidadesignificaVva Sensibilidadedesprezível

•  Temperaturamédiadoar•  Insolação•  Profundidademédiadoreservatório

•  Alftude•  Salinidade•  Precipitaçãomédiaanual•  Umidaderelafvamédia

Conclusões Objetivo específico a

16/8/16 38

Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil

Conclusões Objetivo específico b

16/8/16 39

Verificar possíveis correlações entre características dos aproveitamentos hidrelétricos e suas respectivas pegadas hídricas

CorrelaçãocomPHaparente CorrelaçãocomPHnãoaparente

•  Áreasuperficialdoreservatório•  Relaçãoáreaalagada/potência

outorgada

•  Profundidademédiadoreservatório•  Laftude•  Alftude•  Relaçãoquedabruta/alturada

barragem•  Potênciaoutorgada

Conclusões Objetivo específico c

•  Considerar cenários alternativos: •  Variação intermensal nas áreas superficiais •  Alternativas de cálculo da pegada hídrica •  Aproveitamentos com menor capacidade instalada (PCH e CGH) •  Influência de perdas nas linhas de transmissão

•  Estimar a pegada hídrica de outras fontes de energia em uso

no Sul do Brasil (p. ex. carvão mineral) •  Verificar exportações e importações de água virtual entre

estados através do Sistema Interligado Nacional (SIN)

16/8/16 40

Recomendações

•  BAKKEN, T. H. et al. Water consumption from hydropower plants – review of published estimates and an assessment of the concept. Hydrology and Earth System Sciences, v. 17, p. 3983–4000, 2013. Disponível em: < http://www.hydrol-earth-syst-sci.net/17/3983/2013/ >.

•  CONSÓRCIO EMPRESARIAL SALTO PILÃO. Desenho Técnico. 20---a. Disponível em: < http://www.usinasaltopilao.com.br/obra/desenho.asp >

•  FALKENMARK, M.; ROCKSTRÖM, J. The new blue and green water paradigm: Breaking new ground for water resources planning and management. Journal of water resources planning and management, 2006.

•  IPCC: Edenhofer, O., Pichs-Madruga, R., Sokona, Y., Seyboth, K., Matschoss, P., Kadner, S., Zwickel, T., Eickemeier, P., Hansen, G., Schlömer, S., and von Stechow, C. E.: IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, 2012.

•  MEKONNEN, M.M.; HOEKSTRA, A.Y.. The water footprint of electricity from hydropower. Delft: Unesco-ihe Institute For Water Education, 2011. (Value of Water Research Report Series No. 51).

Referências bibliográficas

16/8/16 41

Muito obrigado

Slides suplementares

16/8/16 44

Fonte:adaptadodeHerathetal.(2011)

Consideração básica

A Pegada Hídrica da geração de energia hidrelétrica

Fonte:IPCC(2012)

Hidroelétrica

16/8/16 45

Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica

16/8/16 46

azul verde – Águas pluviais

cinza – Poluição

Águas superficiais

Águas subterrâneas

Classificação A Pegada Hídrica

Fonte:adaptadodeFalkenmarkeRockström(2006)

Objetivos Específicos

16/8/16 47

a) 

b)  c) 

WREVAP

16/8/16 48

O “efeito oásis”

16/8/16 49

Fonte:adaptadodeBouchet(1963)

A Relação Complementar para a Evapotranspiração

16/8/16 50

Fonte:adaptadodeMorton(1983a)

16/8/16 51

A Relação Complementar para a Evaporação

Fonte:adaptadodeMorton(1983b)

16/8/16 52

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

SaltoPilãoCamposNovosQuebraQueixo

MachadinhoFozdoChapecó

ItáPalmeiras

BarraGrandeGaribaldiFundão

GovParigotdeSouzaSaltoOsórioGovBragaOurinhos

ItaipuGovRochaNeto

GovRichaSaltoGrandeSaltoSanfago

SantaClaraChaminé

MauáTaquaruçuGuaricanaCanoasIICanoasIRosana

CapivaraChavantesCanastra

MonteClaroJacuí

CastroAlvesItaúba

14deJulhoDonaFranciscaPassoSãoJoão

SãoJoséBugres

PassoFundoPassoReal

SantaCatarin

aParaná

RioGrande

doSul

PegadaHídrica(m3GJ-1)

16/8/16 53

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04

Pegada

hídric

améd

ia(m

3 GJ-1)

Áreasuperficialdoreservatório(km2)

Geraçãomédia>500TJ/ano Geraçãomédia⋜500TJ/ano

Resultados e Discussão Influências da área superficial do reservatório e geração média de energia